系统工程应用案例157

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1、+系统工程应用案例系统工程应用案例章节框架章节框架a12.1 案例1:上海社会经济发展趋势预测 a12.2 案例2:ARIMA模型在上海市GDP预测中的实证研究 a12.3 案例3:上海综合交通运输与社会经济的协调发展评价研究a12.4 案例4:国有企业期股激励机制的系统动力学研究 a12.5 案例5:中国教育网拓扑结构模拟212.1 案例案例1：上海社会经济发展趋势预测上海社会经济发展趋势预测a 12.1.1 常用预测方法常用预测方法a 12.1.2 上海社会经济发展趋势预测上海社会经济发展趋势预测a 12.1.3 上海综合交通运输需求量预测上海综合交通运输需求量预测312.1.1常用预测方

2、法常用预测方法a 1. 移动平均法移动平均法a 2. 指数平滑法指数平滑法a 3. 自回归分析预测自回归分析预测a 4. 灰色预测方法灰色预测方法412.1.2 上海社会经济发展趋势预测上海社会经济发展趋势预测a1. 上海人口总数预测 运用年增长率法、指数平滑预测和回归法对上海年末常住人口进行预测，预计到2020年，上海的常住人口可达到1465万人，比1995年增加7.8%。城市化水平约为90，基本实现城市化。未来20年人口仍就缓步上升，本案利用年增长率法，指数平滑法，对数回归法分别对上海人口总数进行了预测。512.1.2 上海社会经济发展趋势预测上海社会经济发展趋势预测a2. 上海的生产总值

3、预测上海的生产总值预测 上海市生产总值（GDP）随时间（T）几乎呈线性增长。于是，建立一元线性回归模型 GDP=449.63*T-894492 R2=0.9759 将该模型与年增长率法相结合，预测未来10年的上海市生产总值。 从预测结果中可以看出，上海市经济运行质量稳步提高，二、三产业共同推动着经济增长的格局进一步稳固。612.1.3上海综合交通运输需求量预测上海综合交通运输需求量预测a1. 灰色关联度分析 关联度分析是分析系统中各因素关联程度的方法。 关联度系数的定义 在得出关联系数后，计算各类关联系数的平均值 ，即为 和 序列的关联度。 712.1.3上海综合交通运输需求量预测上海综合交通

4、运输需求量预测a2. 预测模型的建立和预测结果预测模型的建立和预测结果 从灰色关联度分析得到的影响因素，用SPSS软件分析，通过判定系数R2和共线诊断Durbin-Watson，再选取合适的影响因素建立线性回归方程如下。 货物运输量=6.529*上海生产总值+21454 （R2=0.8501） 货物周转量=8.48*上海生产总值+0.552*综合运输线路里程-1800.954 （R2=0.980 , Durbin-Watson=1.717, 置信度95%） 旅客发送量=0.6306*上海生产总值+3798.9（R2=0.905） 旅客周转量=0.032*上海生产总值+3.408*人口-0.00

5、6*综合运输线路里程-4337.024 （R2=0.950, Durbin-Watson=1.668,置信度95%）812.2 案例案例2：ARIMA模型在上海市模型在上海市GDP预测中的实证研究预测中的实证研究a12.2.1 ARIMA模型定义模型定义a12.2.2 上海市上海市GDP的实证分析的实证分析a12.2.3 结论结论912.2.1 ARIMA模型定义模型定义a求和自回归移动平均（Auto Regressive Integrated Moving Average）模型，简记为ARIMA(p,d,q)aARIMA建模方法以下列两限定为基础(1)预测值是样本观察值的线性函数。(2)目的

6、是有效地发现参数化的模型，即用尽可能少的参数对一个观察到的时间数列的特点提供准确的描述。1012.2.2 上海市上海市GDP的实证分析的实证分析a1.识别时间序列的平稳性（确定模型中的d的大小）a2. 模型定阶（对p和q进行筛选）a（1）Ljung-Box(1978)检验。 a（2）利用ACF图和PACF图的性质确定模型阶数。 a（3）AIC及BIC准则方法。 a3. 参数估计a4. 假设检验，诊断白噪声a5. 预测与分析1112.2.3 结论结论 (1)从以上模拟预测分析可以看出，上海市GDP增长具有长期可持续性，没有出现剧烈波动现象。 (2)ARIMA模型法对资料要求比较单一，仅仅用到某个

7、变量（如本文的GDP）自身的历史数据，模型虽简单，但有着严格的数学保证，在短期预测方面有着独特的优势。 (3)尽管ARIMA模型有诸多有点，但也有其缺陷，它主要依赖惯性原理，往往只适于作短期的预测。 (4)GDP指标受诸多因素影响，当国家的宏观政策调整、发展环境发生改变时都会使其出现相应地变化。 1212.3 案例案例3:上海综合交通运输上海综合交通运输与社会经济的协调发展评价研究与社会经济的协调发展评价研究a 12.3.1 DEA方法的基本思路a 12.3.2 协调发展评价的DEA模型a 12.3.3 协调发展评价指标的选取a 12.3.4 协调发展评价模型的数据处理a 12.3.5 运行结

8、果分析a 12.3.6 综合交通运输结构调整方向1312.3.1 DEA方法的基本思路方法的基本思路 数据包络分析(Data Envelopment Analysis，简称DEA)是一种对同类型的具有多输入、多输出的投入产出系统(称为决策单元，Decision Making Unit，简称DMU)的相对运行效率进行比较评价的系统分析方法。 设有个决策单元，。的输入向量为 ，输出向量为输出权向量分别为，输出进行“综合”。定义的效率评价指数为输出“综合”与输入“综合”之比。 的效率指数最大为目标，以所有决策单元的为约束，即构成DEA 优化模型。，引入输入、，以对输入、以被评价的决策单元效率指数14

9、12.3.2协调发展评价的协调发展评价的DEA模型模型a(1) 一个系统对另一个系统的一个系统对另一个系统的DEA协调评价模型协调评价模型分式规划模型为 1512.3.2协调发展评价的协调发展评价的DEA模型模型a(1) 一个系统对另一个系统的一个系统对另一个系统的DEA协调评价模型协调评价模型其引入的线性规划模型为16a(2) 两系统间协调的效度的计算：两系统间协调的效度的计算：且有且有 12.3.2协调发展评价的协调发展评价的DEA模型模型1712.3.3 协调发展评价指标的选取协调发展评价指标的选取 在选取综合交通运输系统与社会经济协调发展评价指标体系时，除了要符合统计学的基本规范外，还

10、必须遵循以下原则：科学性原则、完备性原则、独立性原则、比例适当原则、宏观性原则、动态性原则。 用SPSS软件对19952005年的上海市生产总值，区域总人口数，城市人口比重，交通运输、仓储及邮电通信业从业人员数量，第三产业比重，城市交通设施建设投资占GDP比重等数据进行相关分析，并根据这些历史统计数据建立方程得出20062010年相关因素的预测数据。最后选取交通运输、仓储及邮电通信业从业人员数量，第三产业比重和城市交通设施建设投资占GDP比重作为表示第三产业的社会经济系统指标；将综合交通运输系统中铁路、公路、水运所占的货运量比重，客运量比重以及各运输线路里程作为表示各运输方式配置的指标。181

11、2.3.4 协调发展评价模型的数据处理 本案例分别以19952010年间的社会经济与综合交通各方式配置数据为输入、输出，运用线性规划软件Lindo（Linear Interactive and Discrete Optimizer），计算这16年内两者相互之间的协调效度。社会经济系统用符号表示e，铁路系统为t，公路系统为g，水路系统为s。社会经济系统对铁路系统的协调效度为C(e/t)，铁路系统对社会经济系统的协调效度为C(t/e)，社会经济系统与铁路系统之间的协调效度即为C(e, t) ,其它运输系统与社会经济系统的效度表示方式类同。在数据的处理过程中，先计算出 模型中各年份社会经济与不同交通

12、方式间的相对有效性，以确定其协调效度；对DEA非有效的年份，再计算其 模型的相对有效性，重新认定其协调效度，即以 模型计算出的协调效度作为该年份的最终协调效度。 1912.3.5 运行结果分析运行结果分析 “十五”计划(20012005年)进一步加快了产业结构的升级，到2005年第三产业的比重为50.5%已经超过第二产业，成为上海市的主导产业。上海开始全力建设国际航运中心洋山深水港，继续推进航空港和信息港建设，加快建设磁悬浮列车示范运营线工程。 2001年和2002年，铁路、公路、水路系统与社会经济发展保持较好的协调性，到2003年协调性突然下降，主要原因是2003年在全国范围内出现的“非典”

13、事件。客运量随着“非典”疫情的蔓延迅速下降，经济也由于“非典”受到一定的影响。“非典”过后，2004年，经济又恢复了迅速增长的态势，客货运量也迅速攀升，客运量比2003年增长了24.3%，货运量也比上年增加了1897万吨。 从整个1995年到2005年，这十一年间，公路系统与社会经济发展协调度最高，这与上海市“公共交通优先”的政策，重点规划、建设、投资市内公路运输系统的方针紧密相连的。铁路系统与社会经济系统的协调度一直保持得较好（2003年特殊原因除外），但是水路系统从2002年开始逐渐萎缩，越来越不适应社会经济发展需求。上海港口主要用于货物运输，至于发送旅客方面，并没有受到足够重视。上海是一

14、个港口城市，城市的兴衰是随港口的发展而变化的。因此修建铁路枢纽站，兴建港口将成为下一个五年计划的发展重点。2012.3.5 运行结果分析运行结果分析 20062010年的社会经济数据和铁路、公路、水路系统相关数据均采用的是预测值。从各运输方式配置与经济的协调度来看，仍然坚持“公交优先”战略，公路与经济一直保持着较高的协调度；铁路与经济之间的协调度虽然基本保持在95%的水平，但是各年份都有不同程度的超前或滞后现象；水路与经济的协调度是三者中最低的，说明对水路系统进行重新规划的需求刻不容缓。到2010年铁路系统对社会经济系统的协调度为1，输入剩余和输出亏空均为0，是有效的决策单元，说明铁路系统为社

15、会经济系统贡献了最大力量；而社会经济系统对铁路系统的协调度为0.9889，输入剩余和输出亏空均不为零，说明铁路系统的配置滞后，已经赶不上社会经济发展的速度。 21 12.3.6 综合交通运输结构调整方向 (1) 进一步增强铁路对外通道，优化调整铁路布局，提升上海铁路客运枢纽功能，积极改造现有的铁路线路和机车，大力发展多式联运。 (2) 坚持公交优先战略，以轨道交通多线换乘站和中环交通枢纽等为重点，加快发展中心城与郊区之间的快速轨道交通系统，基本建成以轨道交通为骨干的公共交通体系。推进公交枢纽和停车换乘系统建设，加强完善中心城路网和越江通道布局。全面建成中环线，完善高架系统，拓宽骨干道路。 (3

16、) 继续推进国际航运中心建设。调整上海港结构和功能，推进洋山深水港区建设。以扩大“两港”开放为突破口，拓展口岸功能。长江沿线港口联手结盟，实现洋山港与长江的“无缝运转”。 (4) 加强各交通运输方式之间的相互协调配合。在客货运繁忙期间采取有效的交通分流措施。 (5) 加强交通运输方面的信息化建设，提高运输服务效率，事故响应速度和管理水平。2212.4 案例案例4:国有企业期股激励机制的国有企业期股激励机制的系统动力学研究系统动力学研究a 12.4.1 引言引言a 12.4.2 系统分析与集成系统分析与集成a 12.4.3 建立模型建立模型a 12.4.4 系统模拟系统模拟a 12.4.5 政策

17、实验政策实验a 12.4.6 结论结论2312.4.1引言引言 伴随着我国国企改革逐步向纵深推进，国有企业内部存在的“内部控制”、“59岁现象”、经营者行为短期化、人才严重流失等问题也日益显现出来。在这种背景下，旨在减少代理成本改善治理结构，促进稳定经营的期股激励机制引起我国理论界与企业界的高度关注。大家期望引入期股激励制度在我国经历了20多年的改革仍未从根本上解决的经营激励问题发挥作用。从而达到改善国企治理结构，调动经营者积极性，留住优秀人才等目的。关于期股机制的研究通常都是以经济信息学的原理为基础，通过分析企业的财务状况来对期股激励机制做出评价。本案例的研究思路是用系统动力学的方法来研究期

18、股激励机制。 2412.4.2系统分析与集成系统分析与集成a1.企业内部层次分析企业内部层次分析企业的经营情况企业利润员工收入销售利润期股利润期股收入奖金基本工资图12-1. 企业内部的利润和员工收入分析2512.4.2系统分析与集成系统分析与集成a2.结构分析结构分析因果关系图因果关系图图12-2 系统的因果关系图2612.4.3建立模型建立模型a1. 模型假设模型假设 （1）假设在模型所模拟的时间内；）假设在模型所模拟的时间内； （2）当实际利润增长率小于）当实际利润增长率小于10%时采用期股激励时采用期股激励机制；机制； （3）不考虑员工的挂钩收入对利润的影响；）不考虑员工的挂钩收入对利

19、润的影响； （4）不考虑研究所内部人员变动对利润的影响；）不考虑研究所内部人员变动对利润的影响； （5）利润指标为上一年实际利润与利润指标之间）利润指标为上一年实际利润与利润指标之间的差额的的差额的1/6与上一年利润指标和。与上一年利润指标和。2712.4.3建立模型建立模型a2. 模型建立模型建立图12-3 系统的动力学流图2812.4.4系统模拟系统模拟a1. 数据的确定数据的确定a2. 实施期股激励后的预期利润分析实施期股激励后的预期利润分析（1）引入期股机制后的预期利润图）引入期股机制后的预期利润图 （2）引入期股机制后企业的各预期指标数据）引入期股机制后企业的各预期指标数据 （3）期

20、股激励分析）期股激励分析 2912.4.5政策实验政策实验a1. 利润指标实验利润指标实验 在上面的模型当中，新利润指标是上一年实际利润与利润指标差额的1/6与原利润指标之和，其中1/6称为利润差额系数。现考虑改变利润差额系数，既降低或提高利润指标的数值来分析企业的营运情况 。 从右面两图的比较可以看出企业的利润指标定的越低反而促进企业的长期发展，增加利润指标反而会降低企业的利润。这说明企业切不可好高骛远，急于求成，否则会适得其反。3012.4.5政策实验政策实验a2.技术或管理投入实验 由于在技术投入上变化和管理投入上变化性质上是一样的，在这里只分析其中的一种。技术投入和管理投入是敏感变量，

21、故变化幅度很小，现考虑改变技术投入系数，由原来的0.18分别改为0.182和0.179，模拟结果见右图 。 可以看出盲目地增加技术投入不但没有增加利润反而有所降低，这说明企业的发展需要各方面的协调发展，不要盲目地增加某种变量，有时会适得其反。 3112.4.6 结论结论 期股激励机制是一种长期的激励机制，它把经营者的收入与企业的长期发展联系在一起，从而使经营者更加关注企业的长期经营。通过没有采用期股和采用期股的利润情况进行对比，期股激励机制的积极作用充分地表现出来。通过政策实验可以得出利润指标规定得越大，利润反而会下降，这说明企业不可好高骛远，急于求成，有时会适得其反。技术投入和管理投入对于企

22、业利润是敏感变量，根据现在的投入指标，企业可以适当地减少投入比例，这样反而会提高企业的利润。3212.5案例案例5:中国教育网拓扑结构模拟中国教育网拓扑结构模拟a 12.5.1 中国教育网的拓扑结构特性中国教育网的拓扑结构特性a 12.5.2 中国教育网演化模型中国教育网演化模型 3312.5.1 中国教育网的拓扑结构特性中国教育网的拓扑结构特性 对中国教育网的进行实证研究，就是利用所建数据库中的数据，通过测试网络的一些指标，如度分布、平均路径长度，来研究该网络的拓扑结构。 由图论的知识可知，与一个节点关联的边数就是该节点的度数。对于有向图，节点度数有入度数和出度数之分，分别表示与该节点关联的

23、入边数和出边数。根据搜集到的数据，建立起中国教育网数据库，确定一个网页有 条出边的概率为 （出度概率），有 条入边的概率为 （入度概率），其中i 节点的出（入）度概率计算公式为3412.5.1 中国教育网的拓扑结构特性中国教育网的拓扑结构特性 根据计算结果绘制了中国教育网节点的出度概率 和入度概率 随节点度数 变化的双对数分布图，并对线性化后的数据进行了线性回归分析，发现中国教育网节点度分布图尾部呈幂律分布， ，其中 =2.48，而入度分布图基本呈幂律分布，尾部不是很平缓， ，其中 =2.40。与随机图经典理论预测的泊松分布大不相同。 对搜集到的数据进行统计分析，中国教育网节点度数累积频数及所

24、占百分比统计结果。中国教育网中大量的网页连接边数少，少量网页具有中等数量的连接边，极少数也是值得注意的几个网页具有大量连接边，这一结果与Barabsi等人研究万维网的结果相似。 3512.5.1 中国教育网的拓扑结构特性中国教育网的拓扑结构特性 中国教育网这个虚拟网络是由各高校自己构建的网页所组成的子集构成的，各高校根据自己的需要决定网页数的多少，网页的添加或删除完全由各高校自主决定，经过分析研究发现，尽管各高校的网页数不同，但在各高校网页中具有出链接的网页数占其总网页数的百分比不超过25%，而具有入链接的网页数占其总网页数的百分比通常大于85%，那些既有出链接又有入链接的网页在各高校网页中仅

25、有几个。这就是说，在由各高校的网页构成的局域网络中，大部分节点具有入度数，只有少数节点具有出度数，既有出度数又有入度数的网页就更少了，即各高校的子集都是通过少数网页与其他学校网页相连通的（见表12-18）。中国教育网的特点是由各网页自组织连接构成一个有向网络。 在中国教育网络中，根据已搜集到的数据，经过分析计算，网页分别处于四个不同的层次上，顶层有726个节点，通过1406条边连接到第二层的17939个节点上，第二层节点通过121243条边连接到第三层31457个节点上，从第三层到底层有418084条边关联，底层的节点数为333895个。经过计算，中国教育网的平均路径长度为8.957。3612

26、.5.2 中国教育网演化模型中国教育网演化模型本案例提出中国教育网演化模型如下：（1）中国教育网起始于个节点， 条边， 个节点随机分为个子集，每个子集中分别有个节点，条边，其中，（2）每个时刻，都有一个新节点随机地添加到系统中的一个子集中，条出边或者带有一条入边。带有条出边时，新节点随机地在系统个节点与之连接，连接到节点的概率 取决于该节点的入连通度另一个子集中的节点上，节点的选取仍遵循择优连接原则。与新节点同时添加到系统中的边有两种情况：新节点或者带有（3）当新节点以概率中选择一个子集，在该子集中择优选取，而新节点的另一条边连接到3712.5.2 中国教育网演化模型中国教育网演化模型（4）当

27、新节点以概率 带有一条入边时，新节点仍随机地在系统中选择的概率取决于该节点的出连通度其中 公式（12-19）、（12-20）中，分母求和是对有新节点添加的一个子集，在该子集中择优选取一个节点与之连接，连接到节点（12-19）（12-20）（12-21）子集中的所有入度或出度进行求和。3812.5.2 中国教育网演化模型中国教育网演化模型 图12-4、图12-5为实际数据与模拟数据的节点度分布比较图。与实际数据比较，节点出度分布比较图中，模型模拟结果（）的开始部分未能完全反映实际数据（）的统计结果，图中短划线的斜率为2.58。节点入度分布比较图中，模型模拟结果（）的开始部分未能完全反映实际数据（）的统计结果，尾部比实际统计结果要平缓，图中短划线的斜率为2.40。 图12-4 节点出度分布比较图 图12-5 节点入度分布比较图 3912.5.2 中国教育网演化模型中国教育网演化模型 从上两图中可以看出，模型模拟结果反映了中国教育网的部分特点。本案例提出的模型，仅考虑实际网络中的一些主要因素，是理想化了的模型，还必须继续深入研究实际网络，不断地对模型进行调整，使之能够更好地反映复杂系统的本质。 40Thank you！12/5/201841